FLEX-DBS: a flexible wireless platform for bilateral constant-current deep brain stimulation in freely moving rodents
FLEX-DBS ist eine leichte, kabellose, am Kopf getragene Plattform für Nagetiere, die eine programmierbare, bilaterale Konstantstrom-Tiefe Hirnstimulation mit Echtzeitsteuerung und autonomem Betrieb ermöglicht und somit eine flexible Alternative zu kabelgebundenen Systemen bietet, trotz einer begrenzten Akkulaufzeit von etwa drei Tagen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die Tiefe Hirnstimulation ist eine medizinische Behandlung, die winzige elektrische Impulse nutzt, um bestimmte Teile des Gehirns zu beruhigen oder zu aktivieren. Sie hat sich zu einer Standardtherapie für Menschen mit schweren Bewegungsstörungen wie der Parkinson-Krankheit entwickelt, und Forscher testen sie zunehmend für Zustände wie chronische Schmerzen und Depressionen. Um genau zu verstehen, wie diese elektrischen Impulse das Gehirn und das Verhalten verändern, untersuchen Wissenschaftler diese Technik an Labortieren, meist Mäusen. Jahrzehntelang stützten sich diese Experimente auf einen einfachen, aber einschränkenden Aufbau: Ein Kabel verbindet das Tier mit einer großen Maschine außerhalb seines Käfigs. Dieses Kabel hält das Tier daran gehindert, sich frei zu bewegen, was es schwierig macht, natürliche Verhaltensweisen wie soziale Interaktion oder die Art und Weise, wie sich ein Tier in seinem Zuhause bewegt, zu untersuchen. Obwohl einige kabellose Geräte existieren, zwingen sie Forscher oft dazu, sich zwischen einer langen Batterielaufzeit und der Möglichkeit zu entscheiden, die Einstellungen der elektrischen Impulse während des laufenden Experiments zu ändern.
Ein Forschungsteam der Washington University School of Medicine hat ein neues Gerät namens FLEX-DBS entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Es handelt sich um einen winzigen, batteriebetriebenen Stimulator, der auf dem Kopf einer Maus sitzt und es dem Tier ermöglicht, sich völlig frei zu bewegen. Im Gegensatz zu älteren kabellosen Modellen, bei denen die Einstellungen vor der Implantation des Tieres festgelegt werden müssen, erlaubt dieses Gerät den Wissenschaftlern, die Stärke, Geschwindigkeit und Zeitplanung der Hirnstimulation mithilfe einer Smartphone-App zu regulieren, während sich die Maus in ihrem Käfig befindet. Das Gerät sendet elektrische Signale an Elektroden, die auf beiden Seiten des Kopfes im Gehirn implantiert sind, wobei es einen konstanten Strom verwendet, der stabil bleibt, selbst wenn sich das Hirngewebe verändert. Die Forscher fanden heraus, dass das Gerät etwa drei Tage lang mit einem einzigen Paar winziger Batterien zuverlässig funktioniert, was für viele Experimente ausreicht, aber kurz genug ist, damit die Batterien einfach ausgetauscht werden können, ohne das Tier zu schädigen.
Der Kern der Erfindung ist eine geschickte elektronische Schaltung, die einen stetigen Stromfluss erzeugt, unabhängig davon, wie viel Widerstand das Hirngewebe bietet. In vielen älteren Systemen würde der elektrische Strom abfallen, wenn die Verbindung zum Gehirn schwierig würde, was die Behandlung inkonsistent machte. Das neue Gerät hält einen präzisen Strom aufrecht, aber die Forscher entdeckten, dass das Gehirn selbst die Grenze setzt, wie stark das Signal sein kann. Als sie den elektrischen Widerstand der Elektroden in lebenden Mäusen über acht Wochen hinweg maßen, stellten sie fest, dass dieser stark variierte und manchmal zu hoch war, als dass das Gerät ein starkes Signal hindurchdrücken könnte. Das bedeutet, dass das Gerät theoretisch zwar ein sehr starkes Signal senden kann, die tatsächliche Stärke, die an das Gehirn geliefert wird, jedoch vom Zustand der Elektrode und des umliegenden Gewebes abhängt. Die Forscher zeigten, dass das Gerät für ihre spezifischen Elektroden zuverlässig Signale in einem Bereich liefern kann, der für Verhaltensstudien benötigt wird, aber in jedem Tier nicht seine maximale theoretische Leistung erreichen konnte.
Um zu beweisen, dass das Gerät wie beabsichtigt funktionierte, testete das Team es an Mäusen mit Elektroden, die in einer Gehirnregion implantiert waren, die mit Schmerz und Emotionen in Verbindung steht. Sie schalteten die Stimulation auf eine hohe Einstellung und beobachteten die Tiere in einer offenen Arena. Die Mäuse wurden während der Stimulation signifikant ruhiger und verbrachten etwa 76 Prozent ihrer Zeit in Bewegungslosigkeit, verglichen mit weniger als der Hälfte dieser Zeit vor dem Einschalten des Geräts. Dieses Einfrierverhalten deutet darauf hin, dass das Gerät erfolgreich ein starkes elektrisches Signal an das Gehirn lieferte. Die Forscher merkten jedoch vorsichtig an, dass sie ohne eine Kontrollgruppe, die eine Scheinbehandlung erhielt, nicht sicher sein konnten, ob die Reglosigkeit ausschließlich durch die Elektrizität verursacht wurde oder ob die Tiere sich lediglich an den Testraum gewöhnt hatten. Trotz dieser Einschränkung bestätigte das Experiment, dass das Gerät eine starke Stimulation an ein sich frei bewegendes Tier liefern kann.
Das neue System stellt eine Verschiebung in der Art und Weise dar, wie diese Experimente konzipiert werden. Frühere kabellose Geräte wurden gebaut, um mit einer einzigen Ladung Wochen oder Monate zu halten, konnten aber nach Beginn des Experiments nicht mehr verändert werden. Dieses neue Gerät opfert diese extreme Batterielaufzeit, um die Flexibilität zu gewinnen, die Einstellungen in Echtzeit zu ändern. Es verbraucht mehr Energie, weil es seine Elektronik aktiv hält und bereit ist, Befehle von einem Telefon zu empfangen, aber dieser Kompromiss ermöglicht es Wissenschaftlern, die Behandlung für jedes einzelne Tier fein abzustimmen. Das Gerät wiegt weniger als vier Gramm, was leicht genug ist, um die Maus nicht zu belasten, und es verwendet Standardbatterien, die kostengünstig sind und durch kurzes Ablösen der Einheit ersetzt werden können. Durch die Kombination von kabelloser Freiheit mit der Möglichkeit, die Stimulation während des laufenden Prozesses anzupassen, öffnet dieses Werkzeug die Tür für natürlichere Studien darüber, wie die Hirnstimulation das Verhalten, die soziale Interaktion und langfristige Veränderungen im Gehirn beeinflusst.
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